9 دقیقه
قارچها زمینه‌ساز زندگی خشکی شدند
قارچها میلیون‌ها سال پیش از نخستین گیاهان خشکی تکثیر و تنوع یافته‌اند، و تحلیل‌های جدید ژنومی نشان می‌دهد که آن‌ها نقش مرکزی در آماده‌سازی قاره‌ها برای سکونت زیستی داشته‌اند. پژوهشی تازه که توسط مؤسسه علوم و تکنولوژی اوکیناوا (OIST) هدایت شده، با ترکیب روشهای ساعت مولکولی و شواهد انتقال افقی ژن توانسته جدول زمانی تکاملی قارچها را دقیق‌تر کند. نتایج نشان می‌دهد که جد مشترک قارچهای امروزی ممکن است حدود 1.4 تا 0.9 میلیارد سال پیش زنده بوده باشد—صدها میلیون سال زودتر از پیدایش قطعی نخستین گیاهان خشکی.
قارچها بسیار پیش از گیاهان پدید آمدند و با شکل‌دهی به خاک‌های اولیه و چرخههای تغذیهای اثرات عمیقی روی زمین گذاشتند. این میراث نهان نشان می‌دهد آن‌ها ممکن است جهان را برای رونق حیات روی خشکی آماده کرده باشند. Credit: Shutterstock
درک زمان‌بندی تنوع قارچها اهمیت زیادی دارد زیرا قارچها به‌نوعی مهندس‌های اکولوژیکی هستند: آن‌ها سنگ و مادهٔ آلی را تجزیه میکنند، مواد مغذی را بازیافت می‌نمایند، شریک‌های زیستی تشکیل می‌دهند و می‌توانند ساختار خاک را تغییر دهند. اگر قارچها مدت‌ها پیش از گیاهان روی خشکی فعال بوده‌اند، احتمالاً عوامل کلیدی در شکل‌دادن خاک‌های بدوی و ایجاد چرخههای تغذیهای بوده‌اند که سطوح قاره‌ای را قابل زیست می‌ساختند. این نقش‌ها می‌توانند شامل افزایش نفوذپذیری خاک، ایجاد لایه‌های آلی و تشکیل شبکه‌های میکروبی باشند که به تثبیت مواد معدنی و نگهداری آب کمک میکنند.
چرا جایگاه قارچها در گذشته دور دشوار است
قرار دادن رویدادهای تکاملی بزرگ در جدول زمانی زمین معمولاً متکی به فسیلها است. برای بسیاری از گروه‌ها—مانند جلبک‌های قرمز، جانوران و گیاهان خشکی—یافته‌های دیرینه‌شناسی نقاط لنگر ارائه می‌دهند. اما قارچها در سوابق فسیلی به‌خوبی نمایان نیستند. بدنهای معمولاً نرم و رشتهای آن‌ها به‌راحتی حفظ نمی‌شوند و چندبار تکامل چندسلولی پیچیده در قارچها از نیای‌های تک‌سلولی متفاوت رخ داده است. این ترکیب نظم درختی‌ای را که دیرینه‌شناسان ترجیح می‌دهند، مختل میکند: فسیل‌های پایدار اندک همراه با منشأهای مستقل مکرر شکل‌های پیچیده، شناسایی یک رویداد پیدایش یگانه و قاطع را دشوار می‌سازد.
شواهد فسیلی واضح را می‌توان در اکثر پنج گروه اصلی پیدا کرد – در این تصویر یک فسیل Dickinsonia را می‌بینیم که نشان‌دهندهٔ حیات جانوری دیرینه است. Credit: Citronnel/Wikimedia Commons, CC-BY-SA-4.0
به‌خاطر این شکاف‌ها، پژوهشگران به سمت فیلوژنتیک مولکولی و مفهوم ساعت مولکولی روی میآورند: تفاوت‌های ژنتیکی با گذر زمان تجمع می‌یابند، پس مقایسهٔ ژنوم‌ها میتواند تاریخ‌های جدایی را برآورد کند. اما ساعت‌های مولکولی نیازمند کالیبراسیون‌اند—نقاط لنگر از فسیلها یا سایر محدودیت‌های زمانی—تا فاصله‌های ژنتیکی نسبی را به سال‌های مطلق تبدیل کنند. برای قارچها، این نقاط لنگر کمیاب هستند، بنابراین ساعت تا کنون نامشخص بوده است—تا همین مطالعهٔ جدید که شواهد بیشتری برای کالیبراسیون ارائه می‌دهد.
انتقال افقی ژن به‌عنوان اهرم زمانی
تیم هدایت‌شده توسط OIST روشی نوآورانه را برای بهبود کالیبراسیون معرفی کرد: آن‌ها ژنوم‌ها را برای نمونه‌های انتقال افقی ژن (HGT) جست‌وجو کردند. برخلاف وراثت عمودی معمول از والد به فرزند، HGT زمانی رخ می‌دهد که یک ژن بین شاخه‌های نامرتبط منتقل شود. چنین انتقالی محدودیت زمانی جهت‌دار فراهم میکند: اگر ردهٔ A ژنی را به ردهٔ B منتقل کرده، آنگاه ردهٔ دهنده باید پیش از نوادگان گیرنده که آن ژن را دارند، وجود داشته باشد.
با شناسایی 17 رخداد قابل استناد HGT میان شاخه‌های قارچی، پژوهشگران شبکهای از روابط «قدیمیتر-از» و «جوان‌تر-از» ساختند. این قیدها با تاریخ‌های فسیلیِ موجود ترکیب شدند تا برآوردهای ساعت مولکولی تنگ‌تر شوند و در نتیجه جدول زمانی دقیق‌تری از تنوع قارچها ارایه شود. این رویکرد استفاده‌ای هوشمندانه از علوم ژنومی است تا خلأهای ناشی از بایگانی ضعیف فسیلی را جبران کند و عدم‌قطعیت در برآورد زمان‌های جدایی را کاهش دهد.
بازنگری جدول زمانی: قارچها پیش از گیاهان
با استفاده از ساعت مولکولی کالیبره‌شده با HGT، مطالعه برآورد میکند که آخرین نیای مشترک قارچهای مدرن حدود 1.4–0.9 میلیارد سال پیش بوده است. این بازه زمانی یک دورهٔ قابل‌توجه—صدها میلیون سال—را بین آغاز تنوع قارچها و اولین گیاهان قطعی خشکی (حدود 470 میلیون سال پیش) قرار می‌دهد. در طول این بازه طولانی، احتمال دارد قارچها و جلبک‌ها جوامع میکروبی خشکی‌زی را شکل داده و دور‌ه‌های عنصر و مادهٔ آلی را به گردش انداخته‌اند و به‌تدریج سطوح سنگی را تغییر داده‌اند.
دکتر Lénárd L. Szánthó، از هم‌نویسندگان اصلی مقاله، پیامدهای بوم‌شناختی را این‌چنین خلاصه میکند: قارچها اساس بازیافت مواد مغذی و ایجاد شراکت‌های زیستی‌اند. اگر آن‌ها پیش از گیاهان در حال تکثیر بودند، تعاملاتشان با جلبک‌ها و میکروب‌ها می‌توانسته محیطی پیش‌نیاز ایجاد کند که بعدها اجازهٔ ورود و تثبیت گیاهان را فراهم سازد. به‌عبارت دیگر، قارچها ممکن است ساختار زیستی و شیمیایی‌ای فراهم آورده باشند که از نظر تغذیهای و فیزیکی مناطق خاکی را برای گیاهان مهیا می‌کرد.
این یافتهها تصویر ما از استعمار قاره‌ها را تغییر می‌دهد. به‌جای این‌که گیاهان را معماران ابتدایی اکوسیستم‌های خشکی ببینیم، ممکن است آن‌ها به محیطی آمده باشند که قبلاً توسط فعالیت قارچی دگرگون شده بود: خاک‌های نوپا، مخازن غنی‌تر مواد مغذی و شبکه‌های زیستی که استقرار گیاهان بعدی را تسهیل می‌کردند. چنین دیدگاهی همچنین میتواند جنبه‌های دیگری را توضیح دهد، مانند وجود لایه‌های آلی و تغییرات در نسبت ایزوتوپی کربن که در سنگ‌های باستانی مشاهده میشود.
زمینهٔ علمی: چندسلولی شدن و پنج شاخهٔ اصلی
زندگی چندسلولی پیچیده—اندام‌هایی با سلول‌های متفاوت سازمان‌یافته در بافت‌ها—دست‌کم پنج‌بار به‌طور مستقل در زمین پدید آمده است: در جانوران، گیاهان خشکی، قارچها، جلبک‌های قرمز و جلبک‌های قهوه‌ای. هر گذار به چندسلولی شدن نیازمند نوآوری‌هایی مانند مولکول‌های چسبندگی و سامانه‌های سیگنال‌دهی بین‌سلولی بوده است. در حالی که فسیلها شواهد مستقیمی برای برخی شاخه‌ها فراهم میکنند (مثلاً جانوران ادیاکاران، بسترهای اولیه جلبکی و هاگ‌های گیاهی)، سوابق فسیلی قارچها پراکنده است. تعیین زمان پیچیدگی در قارچها بنابراین شکاف مهمی را در تصویر کلی ما از چگونگی سامان‌یابی زندگی چندسلولی در شاخه‌های مختلف درخت حیات پر میکند.
پیامدها برای سامانه‌های زمین و زمینه‌های پژوهشی آینده
اگر قارچها به تشکیل خاک‌های اولیه و چرخههای تغذیهای کمک کرده‌اند، این امر پیامدهایی برای مدلهای فرسایش زمینی اولیه، چرخهٔ کربن و چگونگی پاسخ اکوسیستمها به تغییرات زمینشناختی دارد. به‌رسمیت‌شناختن قارچها به‌عنوان مهندس‌های بلندمدتِ اکوسیستم، آزمایش‌ها و مطالعات میدانی جدیدی را می‌طلبد تا ردپای فسیلی فعالیت قارچی (مثل تغییرات معدنی، نشانگرهای ایزوتوپی و ساختارهای خرد زیستی) را بررسی کند و نمونه‌برداری‌های ژنومی در میان گروه‌های مبهم یا شاخه‌های زودانشعاب قارچی را گسترش دهد.
این مطالعه همچنین ارزش ادغام روشهای ژنومی—ساعت مولکولی، فیلوژنومیکس و شناسایی HGT—با دیرینه‌شناسی را برجسته می‌سازد. پیشرفت‌های آتی از افزایش تعداد ژنوم‌ها، بهبود مدلهای تکامل مولکولی و کشف فسیل‌های جدید ناشی خواهد شد که می‌توانند نقاط کالیبراسیون مستقلی فراهم کنند. به‌علاوه، نقشه‌برداری تنوع عملکردی ژن‌ها در قارچهای اولیه میتواند نشان دهد چه ویژگی‌هایی امکان تغییر محیط‌های صخره‌ای به خاک را فراهم ساخته‌اند.
دیدگاه کارشناسی
«این کار نشان می‌دهد چگونه کار کارآگاهی ژنومی میتواند تاریخ پنهان زمین را آشکار کند،» می‌گوید دکتر Miriam Halvorsen، یک بوم‌شناس میکروبی (نمونه‌ای برای درک زمینه). «قارچها اغلب مهندس‌های نامرئی‌اند: آن‌ها مواد معدنی را تغییر می‌دهند، مواد مغذی را به‌دام می‌اندازند و سازهٔ میکروبی را می‌سازند که دیگر موجودات بعداً از آن استفاده میکنند. دیدن شواهد ژنومی مبنی بر این‌که قارچها مدت‌ها پیش از گیاهان در حال تنوع بوده‌اند، پیشنهاد میکند که زمین‌نشینی (terrestrialization) فرایندی چندمرحله‌ای بوده و جوامع میکروبی بخش عمده‌ای از آماده‌سازی طولانی‌مدت را انجام داده‌اند.»
دکتر هالورسن اضافه میکند که روش کالیبراسیون مبتنی بر HGT ممکن است برای گروه‌های دیگری که سوابق فسیلی ضعیفی دارند نیز کاربردی باشد و کمک کند جدول‌های زمانی رویدادهای تکاملی در سراسر درخت حیات را اصلاح کنیم. به‌عنوان مثال، برای برخی باکتری‌ها یا شاخه‌های اولیه دیگر، شناسایی رخدادهای انتقالی ژن میتواند چارچوب زمانی‌ای ارائه دهد که فسیلها به‌تنهایی قادر به تعیین آن نیستند.
فناوری‌های مرتبط و چشم‌اندازهای آینده
فناوری‌هایی که این پژوهش را تسریع میکنند شامل توالی‌یابی ژنومی با راندمان بالا از قارچهای شاخهٔ ابتدایی و نمونه‌های محیطی، الگوریتم‌های بهتر برای شناسایی رخدادهای باستانی HGT، و ابزارهای ژئوشیمیایی برای کشف نشانگرهای زیستیِ هوازدگی قارچی در سنگ‌های قدیمی است. ترکیب این روش‌ها میتواند فرضیهٔ اثرگذاری قارچها بر سطوح قاره‌ای پیش از گسترش وسیع گیاهان را آزمون کند. به‌عنوان نمونه، تحلیل‌های میکروسکوپیک و ایزوتوپی در نمونه‌های صخره‌ای میتواند نشانگرهای تغییری را که انتظار می‌رود از فعالیت متابولیکی قارچها ناشی شده باشد، آشکار سازد.
نتیجه‌گیری
تصویر نوظهور نشان می‌دهد که قارچها دیرهنگام به خشکی نیامده‌اند، بلکه معماران بلندمدت زیست‌پذیری خشکی بوده‌اند. با تنوع یافتن و تعامل با جلبک‌ها و میکروب‌ها در طول صدها میلیون سال، قارچها ممکن است نخستین خاکها و شبکه‌های تغذیه‌ای‌ای را ایجاد کرده باشند که به گیاهان امکان دادند به‌نجاحت بر خشکی مستقر شوند. ادغام ژنومیکس، تحلیل HGT و دیرینه‌شناسی راه جدیدی برای بازسازی تاریخچهٔ عمیق اکولوژیکی زمین و فهم نیروهای زیستی‌ای که سیارهٔ ما را شکل داده‌اند، گشوده است. این دیدگاه نه تنها نگاه ما به گذشته را تغییر می‌دهد، بلکه سوالات جدیدی درباره تعامل بین زیستمندان اولیه و فرآیندهای زمینشناختی مطرح می‌سازد که پژوهشهای آینده باید به آن‌ها پاسخ دهند.
منبع: scitechdaily
ارسال نظر